X80鋼管環(huán)焊縫連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線研究

楊疊 楊柳青 隋永莉 白世武 劉清友

摘要： 針對兩種不同合金體系的X80鋼管自保護藥芯焊絲環(huán)焊縫，采用熱模擬技術(shù)，以不同的冷卻速度冷卻到室溫，獲得了兩種X80鋼管環(huán)焊縫的CCT曲線，通過光學(xué)顯微鏡對不同冷速下的微觀組織進行了分析，并測試其沖擊韌性。結(jié)果表明，當(dāng)冷卻速度較小時（t8/5=20～50 s）時，組織以準多邊形鐵素體和粗大的粒狀貝氏體為主，沖擊韌性較差；當(dāng)冷卻速度較大時（t8/5=7～15 s）時，組織為粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體和M-A組元，韌性較好；進一步增加冷卻速度（t8/5=2～5 s），出現(xiàn)韌性較差的硬脆型板條馬氏體組織。對比兩種X80鋼管環(huán)焊縫的CCT曲線，合金含量較低的X80鋼管對環(huán)焊縫連續(xù)冷卻過程中形成韌性較好的組織有益。

關(guān)鍵詞： X80鋼管；連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變；微觀組織；韌性

中圖分類號： TG402

Research on CCT curves of X80 pipeline girth weld

Yang Die1， Yang Liuqing1， Sui Yongli1， Bai Shiwu1， Liu Qingyou2

（1.China Petroleum Pipeline Research Institute， Langfang 065000， Hebei， China；2.Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081， China）

Abstract： Two girth welds have been fabricated by semi-automatic welding process with different alloy X80 steels， and thermal simulation techniques were used in this work to study the continuous cooling transformation（CCT） behaviours of the two welds. Optical microscopy and Charpy-V-Notch（CVN） impact toughness testing were also used for detailed analysis. The results show that the microstructure are Quasi-Polygonal Ferrite（QF） and coarse Granular Bainite（GB） with lower toughness when the cooling rate is small（t8/5=20～50 s）. When the cooling rate is t8/5=7～15 s， the microstructure are GB， Bainitic Ferrite（BF） and M-A component， which have good toughness. With further increase of cooling rate（t8/5=2～ 5 s）， poor toughness appeared with hard brittle type Lath Martensite（LM）. Comparing two CCT curves of girth welds， X80 pipeline with lower alloy content is beneficial for the formation of better toughness microstructure during continuous cooling process.

Key words：X80 pipeline， continuous cooling transformation， microstructure， toughness

0 前言

隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，高強韌性、大口徑的管線鋼逐漸被應(yīng)用到油氣長輸管道的建設(shè)中，不僅降低了建設(shè)成本，也提高了輸送效率。但隨著更多高等級鋼管地應(yīng)用，相應(yīng)的環(huán)焊縫焊接技術(shù)發(fā)展卻相對滯后，現(xiàn)場焊接的問題日益凸顯，高鋼級管線鋼管的環(huán)焊技術(shù)成為亟待解決的問題。

自保護藥芯焊絲半自動焊接（FCAW-S）工藝是目前管道現(xiàn)場環(huán)焊縫焊接使用較為廣泛的一種焊接方法，其具有比手工焊條電弧焊更高的熔敷效率，對施工方裝備要求較低，操作人員容易掌握等諸多優(yōu)點。但近來的研究表明焊縫金屬沖擊韌性離散是自保護藥芯焊絲半自動焊應(yīng)用中的一大問題[1-3]。眾所周知，組織決定性能，焊縫的最終組織將影響焊縫的沖擊韌性，而焊縫金屬與軋制狀態(tài)的鋼管組織不同，是電弧加熱、熔化、凝固形成的鑄態(tài)組織，因此有必要對焊縫金屬連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程組織變化進行研究。

目前，針對X80管線鋼及熱影響區(qū)的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）的研究較多[4-6]，而對環(huán)焊縫的CCT曲線（WM-CCT）研究較少。國際管道研究協(xié)會（PRCI）曾針對X100鋼管采用熔化極氣體保護焊（GMAW）的環(huán)焊縫進行了CCT曲線的研究[7]，研究表明冷卻速度太快和太慢都不利于形成高韌性組織。從焊縫化學(xué)成分角度，合金含量較低的焊縫組織以貝氏體為主，而合金含量較高的焊縫以馬氏體為主，對焊縫韌性有明顯影響。文中采用由兩種不同合金體系的X80鋼管通過自保護藥芯焊絲半自動焊焊接得到的環(huán)焊縫，利用熱模擬技術(shù)，以不同的t8/5時間進行冷卻，獲得兩種環(huán)焊縫的CCT曲線，并研究了其微觀組織、硬度及沖擊韌性的變化規(guī)律，以期對自保護藥芯焊絲半自動焊連續(xù)冷卻過程的組織進行預(yù)測和制定更合理的焊接工藝參數(shù)提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗焊縫

試驗采用兩種不同合金體系X80管線鋼，板厚為18.4 mm，其化學(xué)成分見表1，SG鋼管主要有MnCrCuNb等合金元素，而QG主要有MnCrMoNbV，且含量都比SG鋼管高。環(huán)焊縫填充蓋面層采用的是AWS A5.29 E81T8-NiJ型X80級別自保護藥芯焊絲，具有高Al、高Ni的特征。

焊縫的坡口設(shè)計如圖1所示，為復(fù)合型坡口。焊接時，預(yù)熱溫度為80～100℃，層間溫度控制在60～80℃。焊接道數(shù)在3～4道，最后一道填充厚度要大于7 mm，以便加工熱模擬試件。焊接完成后，對最后一道填充層的焊縫中心截面進行研磨，采用直讀光譜儀確定其化學(xué)成分。

1.2 熱模擬試件的制備

對由兩種不同合金體系X80管線鋼得到焊縫進行機加工，加工前經(jīng)過輕微腐蝕，以便顯現(xiàn)出焊縫不同的道次。熱模擬試件均在焊縫最后一道填充層加工，以保持原始組織的均勻性。為滿足熱模擬過程不同的冷卻速度，加工試件分兩種規(guī)格，其尺寸如圖2所示。

1.3 熱模擬試驗

采用Gleeble-3500熱模擬試驗機對焊縫連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線進行研究。初始預(yù)熱溫度為100 ℃，首先以130 ℃/s的速度加熱到1 350 ℃，在峰值溫度維持1 s，然后以不同的冷卻時間t8/5=2 s， 3.5 s， 5 s， 7 s， 9 s， 12 s， 15 s， 20 s， 30 s， 50 s冷卻到室溫，獲得溫度與線膨脹量變化的關(guān)系（如圖3所示），再利用切線法確定不同冷卻時間下的相變起始溫度和終了溫度，最終獲得焊縫的CCT曲線。

1.4 金相、微觀硬度及沖擊韌性測試

對熱模擬試驗得到的試件，從熱電偶的焊點處截取金相件，進行鑲嵌，分別在型號200#至1 200#砂紙打磨，然后拋光，經(jīng)過4%硝酸酒精溶液腐蝕，清潔吹干后利用光學(xué)顯微鏡（Axio Imager M1m，ZEISS）進行微觀組織觀察，獲取對應(yīng)冷卻速度下的顯微組織照片。采用FM-ARS9000全自動硬度計對金相件進行微觀硬度測量，每個試件測量3次取均值。

為確定不同微觀組織的沖擊韌性，從焊縫加工71 mm×10 mm×10 mm的試件，按前述熱循環(huán)制度進行熱模擬試驗，而后加工成55 mm×10 mm×5 mm的1/2小尺寸試件在-10℃溫度下進行夏比沖擊韌性測試。選取的t8/5時間有5 s，9 s，12 s，15 s，20 s，30 s和50 s，每個時間做3個數(shù)據(jù)，并計算其平均值。采用掃描電鏡對沖擊斷口形貌及組織進行分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

焊縫中心的化學(xué)成分如表2所示，采用國際焊接協(xié)會推薦的碳當(dāng)量公式[7]及日本焊接學(xué)會推薦的冷裂敏感系數(shù)公式[8]對焊縫的碳當(dāng)量（CIIW）和冷裂敏感系數(shù)（Pcm）進行計算?？梢钥闯?，焊縫中心化學(xué)成分雖然主要由熔敷金屬組成，但鋼管合金元素也會不同程度地稀釋。與SG鋼管相比，在QG鋼管中含量較高的Cr，Mo，Nb，V等元素，在焊縫中也較高，這些元素會對焊縫連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中的組織產(chǎn)生影響。

2.2 焊縫連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

SG鋼焊縫經(jīng)過不同t8/5冷卻時間后的微觀組織如圖4所示。限于篇幅，圖中展示了組織變化較為明顯的冷卻時間。由圖4a可知，當(dāng)t8/5=2 s時，焊縫金屬主要由板條馬氏體（LM）和少量貝氏體鐵素體（BF）組成。板條容易在原奧氏體晶界形核并長大，因此可以清楚地觀察到部分原奧氏體晶界。隨著冷卻時間的上升，馬氏體的比例下降，貝氏體鐵素體和粒狀貝氏體（GB）的含量逐漸增加，當(dāng)t8/5=15 s時，主要由貝氏體鐵素體和粒狀貝氏體組成，晶粒尺寸也整體粗化。冷卻時間t8/5=50 s時，貝氏體鐵素體組織的含量變得很低，取而代之的是粗大的粒狀貝氏體，晶界也會形成M-A組元。同時也有部分準多邊形鐵素體（QF）形成，可以斷定，此時的微觀硬度較高冷速時有了很大的下降。

圖5給出了QG鋼焊縫經(jīng)過不同t8/5冷卻時間后的微觀組織照片，組織的變化趨勢和SG鋼焊縫基本一致，但隨著冷卻時間的上升，QG鋼焊縫更早地出現(xiàn)了粒狀貝氏體組織，這與QG焊縫中較多的合金元素導(dǎo)致奧氏體相變溫度升高有關(guān)。當(dāng)t8/5=50 s時，對比兩種焊縫組織，QG鋼焊縫的組織更粗大。

不同冷卻時間下焊縫組織的微觀硬度如圖6所示。隨冷卻時間的增加，硬度呈降低的趨勢。在t8/5<15 s時，硬度下降的幅度較大，而在t8/5>15 s后，硬度的減小趨勢相對平緩。這主要是由組織類型的變化產(chǎn)生的差異，快冷條件產(chǎn)生的板條馬氏體硬度較高，而隨冷卻時間增加產(chǎn)生的貝氏體組織硬度較低。對比兩種焊縫，合金含量較高的QG鋼焊縫的微觀硬度較高。

根據(jù)圖3中線膨脹曲線所得到的相變開始和終了溫度，以及圖4～6不同冷卻時間下的焊縫微觀

圖6 焊縫微觀硬度隨t8/5冷卻時間的變化組織，獲得了兩種X80鋼管自保護藥芯焊絲半自動焊焊縫的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（WM-CCT）如圖7所示。

上述WM-CCT曲線反映了X80管線鋼管自保護藥芯焊絲半自動焊環(huán)焊縫在連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律。從圖中可以看出，冷卻過程中的組織主要為馬氏體、貝氏體鐵素體、粒狀貝氏體及M-A組元。對比不同X80鋼管環(huán)焊縫的CCT曲線，QG鋼焊縫的相變開始溫度較高，且貝氏體鐵素體的穩(wěn)定區(qū)較SG鋼小。對比表2中焊縫中心的化學(xué)成分，可以看出，QG鋼焊縫有較高的Mo，Nb，V含量，這些元素既為碳化物形成元素也是鐵素體穩(wěn)定元素，而由于其與碳的結(jié)合能力弱于Ti，因此在冷卻過程會促進奧氏體相變，從而提高了相變溫度，也就形成了更多的粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體組織。

2.3 焊縫夏比沖擊韌性

通過WM-CCT曲線的繪制得到了焊縫不同冷卻時間下得到的最終微觀組織，進一步測試了組織的沖擊性能，如圖8所示。可看出，在t8/5=5～15 s的范圍內(nèi)，兩種環(huán)焊縫的沖擊吸收能量較高，當(dāng)t8/5繼續(xù)升高（即冷卻速度下降），沖擊吸收能量較低。通過和

WM-CCT曲線比對，t8/5=5～15 s范圍內(nèi)主要形成的是貝氏體鐵素體組織，說明該組織具有較高的沖擊韌性，而粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體組織的韌性較貝氏體鐵素體低。對比兩種不同合金體系X80鋼管焊接得到的焊縫，在t8/5=5～12 s的范圍內(nèi)，SG鋼焊縫的沖擊吸收能量更高，并且穩(wěn)定性更好，而QG鋼焊縫在t8/5=12 s時出現(xiàn)了低值。

圖9為SG鋼焊縫在t8/5=9 s和t8/5=50 s冷卻條件下沖擊試件斷口的形貌?？煽闯?，9 s沖擊試件斷口主要為韌窩狀，屬于塑性斷裂，因此沖擊韌性值較高，而50 s沖擊斷口為解理臺階狀斷口，屬于脆性斷裂，沖擊值低。

3 結(jié)論

文中研究了兩種不同合金體系X80鋼管自保護藥芯焊絲半自動焊環(huán)焊縫不同冷卻時間下的微觀組織，獲得了焊縫連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，得到的主要結(jié)論如下：

（1）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中的主要的組織類型有馬氏體、貝氏體鐵素體、粒狀貝氏體及M-A組元。

（2）當(dāng)冷卻速度較小時（t8/5=20～50 s）時，組織以準多邊形鐵素體和粗大的粒狀貝氏體為主，沖擊韌性較差；當(dāng)冷卻速度較大時（t8/5=7～15 s）時，組織為粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體和細小的M-A組元，韌性較好；進一步增加冷卻速度（t8/5=2～5 s），出現(xiàn)韌性較差的硬脆型板條馬氏體組織。

（3）對比兩種X80鋼管環(huán)焊縫的CCT曲線，由于鋼管合金元素會在焊接過程稀釋到焊縫，因此，適當(dāng)增加擴大奧氏體區(qū)元素促進奧氏體在較低溫度發(fā)生相變，對形成韌性較高的組織有益，從而保證焊縫沖擊性能。

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